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移动通信OFDM课程设计说明书.pdf
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摘 要
在无线信道环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。OFDM 技
术能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率,并能有效地抵抗多径衰落、
抑制干扰和噪声,有着广阔的应用前景。
正交频分复用( OFDM) 作为一种多载波数字通信方案, 是第四代移动通信的核心
技术。OFDM 主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的
低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关
技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小
于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除码间串扰,
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。
本课程设计是在移动通信的基础上,基于 OFDM 系统的基本原理,并使用 Simulink
搭建 OFDM 系统的调制与解调模块,完成 Simulink 模块设置,确定搭建系统的主要参数,
并对主要模块的构建方式进行了说明;利用高斯信道模块来模拟信号传输仿真,用示波
器观察各点波形,通过与理论波形的对比,验证电路的正确性。在此基础上,基于
Simulink,讨论了如何构建完整的 OFDM 动态仿真系统。
关键词:OFDM; Simulink; 仿真分析;
精选
1 前 言
1.1 OFDM 技术的发展历史
20 世纪 70 年代,韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变
换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分
复用(OFDM)系统。
近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率
要求的日趋迫切,OFDM 技术再次受到了重视。
80 年代后,OFDM 的调整技术再一次成为研究热点。例如,在有线信道的研究中,
Hirosaki 于 1981 年用 DFT 完成的 OFDM 调整技术,试验成功了 16QAM 多路并行传送
19.2kbit/s 的电话线 MODEM。
进入 90 年代,OFDM 的应用又涉及到了利用移动调频和单边带(SSB)信道进行高
速数据通信,陆地移动通信,高速数字用户环路(HDSL),非对称数字用户环路(ADSL)
及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。
1999 年,IEEE802.11a 通过了一个 SGHz 的无线局域网标准,其中 OFDM 调制技术被
采用为物理层标准,使得传输速率可以达 54MbPs。这样,可提供 25MbPs 的无线 ATM 接
口和 10MbPs 的以太网无线帧结构接口,并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完
全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网
标准 HiperiLAN2 也把 OFDM 定为它的调制标准技术。
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1.2 OFDM 技术应用领域
(1)移动通信领域
OFDM 技术的数据传输速度相当于 GSM(Global System for MobileCommunication,全
球移动通信系统)和 CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)技术标准的 10
倍。从理论上讲,OFDM 技术要优越于当前的全球移动运营商所采用的标准技术。
(2)数字传输领域
OFDM 在数字广播领域也有杰出的表现。DAB(Digital Audio Broadcasting,数字语
音广播)/DMB(Digital Multimedia Broadcasting,数字多媒体广播)具有音质好(CD
质量)、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖率等优点,
是广播事业发展中的一个新的里程碑。采用 OFDM 技术后,系统发射功率减小、可高速
移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力,有效的实现了
数据高速可靠的传输。
(3)计算机网络领域
近年来,Intemet 以惊人的速度发展,Internet 的用户众多,分布广泛,传统
Modem 仅能提供 56Kbps 的速度,ISDN 业务最多也只能提供 128Kbps 的速度,这些都难
以满足 Intemet 飞速发展的需要。
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1.3 OFDM 技术的优缺点
(1)抗衰落能力强
OFDM 使用户信息通过多个子载波传输,在每个子载波上的信号时间就相应地比同
速率的单载波系统上的信号时间长很多倍,因而对脉冲噪声(impulse noise)和信道快
衰落的抵抗力更强。
(2)频率利用率高
OFDM 采用允许重叠的正交子载波作为子信道,而不是传统的利用保护频带分离子
信道的方式,因而提高了频率利用率。
(3)适合高速数据传输
首先,OFDM 的自适应调制机制使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的不
同使用不同的调制方式:信道条件好时,采用效率高的调制方式;信道条件差时,采用
抗干扰能力强的调制方式。另外,OFDM 采用的加载算法使系统
可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此,OFDM 技术
非常适合高速数据传输。
(4)抗码间干扰能力强
码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰,它与加性的噪声干扰不
同,是一种乘性的干扰。
1.4 OFDM 技术的研究意义
正交频分复用( OFDM) 技术是一种多载波数字调制技术, 适合在无线环境下实现高
速传输。OFDM 最大的优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰, 同时拥有很高的频谱
利用率。该技术已经为业界公认为新一代无线移动通信系统核心技术,具有很高的研究
价值
2 设计目的与要求
精选
学习 OFDM 系统的传输原理,并使用 Simulink 搭建 OFDM 系统的调制与解调模块,利
用高斯信道模块来模拟信号传输仿真,用示波器观察各点波形,通过与理论波形的对比,
验证电路的正确性。
3 设计原理
3.1 OFDM 原理简介
在向 B3G/4G 演进的过程中,OFDM 是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,
干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能。包括以下类型:
V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多带-OFDM。
OFDM 中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期,
每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。由于载波间
有部分重叠,所以它比传统的 FDMA 提高了频带利用率。
在 OFDM 传播过程中,高速信息数据流通过串并变换,分配到速率相对较低的若干
子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩
展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔
大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用
循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。
在过去的频分复用(FDM)系统中,整个带宽分成 N 个子频带,子频带之间不重叠,
为了避免子频带间相互干扰,频带间通常加保护带宽,但这会使频谱利用率下降。为了
克服这个缺点,OFDM 采用 N 个重叠的子频带,子频带间正交,因而在接收端无需分离
频谱就可将信号接收下来。
OFDM 系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)
实现调制和解调。对于 N 点的 IFFT 运算,需要实施 N^2 次复数乘法,而采用常见的基
于 2 的 IFFT 算法,其复数乘法仅为(N/2)log2N,可显著降低运算复杂度。
在 OFDM 系统的发射端加入保护间隔,主要是为了消除多径所造成的 ISI。其方法
是在 OFDM 符号保护间隔内填入循环前缀,以保证在 FFT 周期内 OFDM 符号的时延副本内
包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生
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春哥111
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